Les scientifiques de Salk élargissent le code génétique des mammifères pour contrôler l'activité des protéines dans les neurones avec de la lumière

Les scientifiques de Salk élargissent le code génétique des mammifères pour contrôler l'activité des protéines dans les neurones avec de la lumière

Une nouvelle technique permet aux chercheurs d'activer des protéines dans le cerveau en les éclairant d'une lumière LED

LA JOLLA, CA—D'une simple pression sur un interrupteur, les chercheurs du Salk Institute for Biological Studies peuvent modifier la forme d'une protéine dans le cerveau d'une souris, en activant la protéine au moment précis où ils le souhaitent. Cela permet aux scientifiques d'observer l'effet exact de l'activation de la protéine. La nouvelle méthode, décrite dans le numéro du 16 octobre 2013 de la revue Neuron, repose sur des acides aminés spécialement conçus (les molécules qui composent les protéines) et sur la lumière d'une LED. Maintenant qu'il a été démontré qu'elle fonctionne, la technique peut être adaptée pour donner aux chercheurs le contrôle d'une grande variété d'autres protéines dans le cerveau afin d'étudier leurs fonctions.

"Ce que nous sommes maintenant capables de faire, c'est non seulement de contrôler l'activité neuronale, mais aussi de contrôler une protéine spécifique dans un neurone", déclare l'auteur principal de l'étude. Lee Wang, professeur agrégé au Salk's Centre Jack H. Skirball de biologie chimique et de protéomique et titulaire de la chaire de développement Frederick B. Rentschler.

Si un scientifique veut savoir quel ensemble de neurones dans le cerveau est responsable d'une action ou d'un comportement particulier, la possibilité d'activer et de désactiver les neurones à volonté donne au chercheur un moyen ciblé de tester les effets des neurones. De même, s'ils veulent connaître le rôle d'une certaine protéine à l'intérieur des cellules, la capacité d'activer ou d'inactiver la protéine d'intérêt est essentielle pour étudier sa biologie.

De gauche à droite : le scientifique de Salk Lei Wang et l'étudiant diplômé Ji-Yong Kang.

Image : Avec l'aimable autorisation de l'Institut Salk d'études biologiques

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont développé une poignée de moyens d'activer ou d'inactiver les neurones à l'aide de la lumière, dans le cadre du domaine en plein essor de l'optogénétique. Dans des expériences d'optogénétique, des souris sont génétiquement modifiées pour avoir un canal sensible à la lumière provenant d'algues intégré dans leurs neurones. Lorsqu'il est exposé à la lumière, le canal s'ouvre ou se ferme, modifiant le flux de molécules dans le neurone et modifiant sa capacité à transmettre un message électrochimique à travers le cerveau. En utilisant de telles approches optogénétiques, les scientifiques peuvent choisir les neurones du cerveau qu'ils souhaitent activer ou désactiver à un moment donné et observer le changement qui en résulte chez les souris modifiées.

"Il ne fait aucun doute qu'il s'agit d'un excellent moyen de contrôler l'activité neuronale, en empruntant des canaux ou des pompes sensibles à la lumière d'autres organismes et en les mettant dans des neurones", déclare Wang. "Mais plutôt que de mettre un étranger dans les neurones, nous voulions contrôler l'activité des protéines natives des neurones."

Pour que les protéines réagissent à la lumière, l'équipe de Wang a exploité un acide aminé photosensible, appelé Cmn, qui a une grande structure chimique. Lorsqu'une impulsion de lumière brille sur la molécule, la chaîne latérale volumineuse de Cmn se rompt, laissant la cystéine, un acide aminé plus petit. Le groupe de Wang a réalisé que si un seul Cmn était intégré au bon endroit dans la structure d'une protéine, le changement radical de la taille de l'acide aminé pourrait activer ou inactiver la protéine entière.

Pour tester leur idée, Wang et ses collègues ont conçu de nouvelles versions d'un canal potassique dans les neurones, en ajoutant Cmn à leur séquence.

"En gros, l'idée était que lorsque vous mettez cet acide aminé dans le pore du canal, la chaîne latérale volumineuse bloque entièrement le passage des ions à travers le canal", explique Ji-Yong Kang, un étudiant diplômé qui travaille dans le groupe de Wang, et premier auteur du nouvel article. "Ensuite, lorsque la liaison de l'acide aminé se rompt en réponse à la lumière, le canal s'ouvre."

La méthode a fonctionné dans des cellules isolées : après des essais et des erreurs, les scientifiques ont trouvé l'endroit idéal dans le canal pour mettre Cmn, de sorte que le canal était initialement bloqué, mais s'est ouvert lorsque la lumière l'a éclairé. Ils ont pu mesurer la modification des propriétés du canal en enregistrant le courant électrique qui traversait les cellules avant et après l'exposition à la lumière.

Mais pour appliquer la technique à des souris vivantes, Wang et ses collègues devaient modifier le code génétique des animaux, les instructions intégrées que les cellules utilisent pour produire des protéines basées sur des séquences de gènes. Le code génétique normal ne contient pas d'informations sur Cmn, donc la simple injection d'acides aminés Cmn à des souris ne conduirait pas à l'intégration des molécules dans les protéines. Dans le passé, le groupe Wang et d'autres ont élargi les codes génétiques de cellules isolées d'organismes simples comme des bactéries ou des levures, en insérant des instructions pour un nouvel acide aminé. Mais l'approche n'avait jamais été couronnée de succès chez les mammifères. Grâce à une combinaison de techniques et de nouvelles astuces, cependant, l'équipe de Wang a pu fournir à des souris embryonnaires les instructions pour le nouvel acide aminé, Cmn. Avec l'aide du professeur Salk Dennis O'Leary et son associé de recherche Daichi Kawaguchi, ils ont ensuite intégré le nouveau canal contenant Cmn dans le cerveau des souris en développement et ont montré qu'en éclairant le tissu cérébral, ils pouvaient forcer l'ouverture du canal, modifiant ainsi les modèles d'activité neuronale. Ce n'était pas seulement une première pour élargir le code génétique des mammifères, mais aussi pour le contrôle des protéines.

En surface, la nouvelle approche a le même résultat que les approches optogénétiques pour étudier le cerveau : les neurones sont réduits au silence à un moment précis en réponse à la lumière. Mais la méthode de Wang peut maintenant être utilisée pour étudier tout un ensemble de protéines différentes dans les neurones. En plus d'être utilisé pour ouvrir et fermer des canaux ou des pores qui laissent les ions entrer et sortir des cellules cérébrales, Cmn pourrait être utilisé pour réguler optiquement les modifications des protéines et les interactions protéine-protéine.

"Nous pouvons identifier exactement quelle protéine, ou même quelle partie d'une protéine, est cruciale pour le fonctionnement des neurones ciblés", explique Wang. "Si vous voulez étudier quelque chose comme le mécanisme de formation de la mémoire, il ne suffit pas toujours de trouver quels neurones sont responsables, mais quelles molécules au sein de ces neurones sont essentielles."

Plus tôt cette année, le président Obama a annoncé la somme de plusieurs milliards de dollars Recherche sur le cerveau par le biais de l'initiative BRAIN (Neurotechnologies innovantes), un projet de dix ans visant à cartographier l'activité du cerveau humain. La création de nouvelles façons d'étudier les molécules du cerveau, comme l'utilisation d'acides aminés sensibles à la lumière pour étudier les protéines neuronales, sera essentielle pour faire avancer cette initiative et des efforts similaires pour comprendre le cerveau, a déclaré Wang. Son laboratoire travaille maintenant à développer des moyens non seulement d'activer les protéines, mais aussi de les inactiver en utilisant des acides aminés sensibles à la lumière et d'appliquer la technique à des protéines autres que Kir2.1.

Les autres chercheurs de l'étude étaient Daichi Kawaguchi, Irene Coin, Zheng Xiang, Dennis DM O'Leary du Salk Institute for Biological Studies et Paul A. Slesinger de la Mount Sinai School of Medicine.

Le travail a été soutenu par une bourse d'innovation Salk, une bourse Marie Curie de la Commission européenne et des subventions du Institut californien de médecine régénérative et de la Instituts nationaux de la santé des États-Unis.

À propos du Salk Institute for Biological Studies:
L'Institut Salk d'études biologiques est l'une des principales institutions de recherche fondamentale au monde, où des professeurs de renommée internationale étudient les questions fondamentales des sciences de la vie dans un environnement unique, collaboratif et créatif. Axés à la fois sur la découverte et sur le mentorat des futures générations de chercheurs, les scientifiques de Salk apportent des contributions révolutionnaires à notre compréhension du cancer, du vieillissement, de la maladie d'Alzheimer, du diabète et des maladies infectieuses en étudiant les neurosciences, la génétique, la biologie cellulaire et végétale et les disciplines connexes.

Les réalisations du corps professoral ont été récompensées par de nombreuses distinctions, notamment des prix Nobel et des adhésions à l'Académie nationale des sciences. Fondé en 1960 par Jonas Salk, MD, pionnier du vaccin contre la poliomyélite, l'Institut est une organisation indépendante à but non lucratif et un monument architectural.